壓力鋼管WDB620高強(qiáng)鋼不預(yù)熱焊接技術(shù)

王志強(qiáng)，馮汝華，李 剛

（北方國(guó)際合作股份有限公司，北京100040）

1 概述

老撾南湃（Nam Phay）水電站位于老撾萬(wàn)象省北部Phoun區(qū)，壩址位于南俄河（Nam Ngum）支流南湃河（Nam Phay）滿鋪恩村（B.Muangphoun）下游。電站壩址距老撾首都萬(wàn)象約249.5 km，廠房距萬(wàn)象約193.5 km。

本工程為長(zhǎng)引水式電站，主要任務(wù)是發(fā)電，水庫(kù)正常蓄水位1140.00 m，總庫(kù)容2.059億m3，電站額定水頭700 m，設(shè)計(jì)引用流量14.03 m3/s，總裝機(jī)容量86 MW，工程規(guī)模為二等大（2）型工程。本工程樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、溢洪洞、進(jìn)水口、引水隧洞、壓力鋼管及發(fā)電廠房、尾水系統(tǒng)等組成。

該水電站壓力鋼管總長(zhǎng)1468.96 m，其中洞內(nèi)埋管長(zhǎng)度為829 m，鋼筋混凝土外包管段長(zhǎng)為639.96 m， 沿線布置6個(gè)鎮(zhèn)墩，在1號(hào)鎮(zhèn)墩附近設(shè)1個(gè)檢修進(jìn)入孔。壓力鋼管管徑2.0 m，管內(nèi)流速4.6 m/s，除埋管段前700 m鋼管采用Q345 C鋼材外，其他均采用WDB620型高強(qiáng)鋼。岔管采用對(duì)稱“Y”形岔管，“一管兩機(jī)”。壓力鋼管主管內(nèi)徑2.0 m，主管壁厚為 26、28、30、32 mm。岔管壁厚分別為 38、42、44、46 mm，肋板壁厚 92 mm。

2 不預(yù)熱焊接工藝的提出

南湃水電站壓力鋼管WDB620高強(qiáng)鋼部分占比很大，管軸線長(zhǎng)，如采用傳統(tǒng)的“焊接前預(yù)熱、焊接后后熱”的工藝，需要投入大量的人力物力，而且，施工工序也較繁瑣，工程量是非常大的。因此，思考一種較簡(jiǎn)潔的施工工藝能否取代傳統(tǒng)的施工工藝。

2.1 WDB620鋼板材料分析

通常情況下，低合金高強(qiáng)鋼中合金元素的含量較多，使得其具有比較高的淬硬性傾向， 在焊接熱影響區(qū)極易產(chǎn)生冷裂紋。所以，高強(qiáng)鋼在焊接前需要對(duì)其進(jìn)行一定程度的預(yù)熱，所以，預(yù)熱就變成了一個(gè)難題，在浪費(fèi)人力物力的同時(shí)，極大地降低了工作效率。因此，對(duì)WDB620鋼的焊接工藝試驗(yàn)，是整個(gè)工程中的關(guān)鍵一步。本文論述的主要內(nèi)容即為WDB620高強(qiáng)鋼無(wú)預(yù)熱焊接技術(shù)。

WDB620鋼是近年來(lái)發(fā)展的一類焊接性能優(yōu)良的高強(qiáng)度鋼，該鋼種采用微合金化和控軋工藝，鋼材的強(qiáng)度不再依賴于添加固溶強(qiáng)化元素，而是采用Mn-Mo-Nb-B合金系列以形成貝氏體為強(qiáng)化手段，在合理地控軋工藝下充分細(xì)化鐵素體和貝氏體組織，使得鋼材的碳當(dāng)量大幅度下降，同時(shí)使得焊接裂紋敏感性組分Pcm相應(yīng)大幅度降低。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，“WDB620的Ceq≤0.41%，Pcm≤0.20%，WDB620鋼板的最大厚度達(dá)到50 mm，可采用不預(yù)熱或低溫余熱的方式進(jìn)行焊接，焊接接頭性能達(dá)到與母材同等的水平，并且表現(xiàn)出較低的裂紋敏感性?！保ā冻吞钾愂象w鋼的焊接性》，舞陽(yáng)鋼鐵有限責(zé)任公司，姚連登等著。）

WDB620含 C、S、P、B 量很低的 Cr、Mo、V 系低合金鋼，有著優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，而且它是一種非調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，較通常所用的調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼裂紋傾向性小，抗拉強(qiáng)度≥620 MPa，是一種具有很好的焊接性和抗裂性的鋼種。Mn含量較高，約為1.00%～1.60%，可以減小高溫脆性區(qū)，因而，WDB620鋼是一種可以減小高溫脆性區(qū)的鋼種。WDB620鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 WDB620鋼板化學(xué)成分（%，熔煉）

參照WDB620鋼材化學(xué)成分，該特種鋼碳當(dāng)量Ceq≤0.416%，焊接裂紋敏感系數(shù)Pcm≤0.20%，與其他調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼相比較而言，具有良好焊接性能，裂紋傾向較小。

2.2 通用可焊性對(duì)預(yù)熱溫度的判定

根據(jù)《低焊接冷裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼標(biāo)準(zhǔn)（WES3009-1983）》通 用 可 焊 性 判 定 依 據(jù)：Ceq≤0.41%，且焊接裂紋敏感性組分Pcm≤0.20%時(shí)小于40 mm板厚可不作焊前預(yù)熱。

結(jié)合WDB620鋼材化學(xué)成分，南湃水電站壓力鋼管主管壁厚為 26、28、30、32 mm，可以不預(yù)熱。

另，防止裂紋產(chǎn)生的預(yù)熱溫度公式（《低焊接冷裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼標(biāo)準(zhǔn)（WES3009-1983）》）：

其中：Pc-焊接裂紋敏感系數(shù)，H-焊縫金屬擴(kuò)散氫含量、2 mL/100 g，Pcm-焊接裂紋敏感性組分，To-防止冷裂紋的溫度。

據(jù)此公式計(jì)算，板厚為40 mm的WDB620鋼的預(yù)熱溫度計(jì)算為To=9.76℃。老撾在當(dāng)期的焊接環(huán)境溫度26℃左右、濕度80%RH左右，故40 mm以下板厚在該工況下，應(yīng)無(wú)需進(jìn)行焊前預(yù)熱。

2.3 壓力鋼管的結(jié)構(gòu)分析

從結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來(lái)看：壓力鋼管屬于簡(jiǎn)單的幾何形狀，屬低次靜定結(jié)構(gòu)，通過(guò)科學(xué)的焊縫布置和合適的焊接工藝，可以使焊接殘余應(yīng)力盡可能的均布，從而避免焊接接頭產(chǎn)生焊接裂紋。

因此，基于以上3個(gè)方面的分析，并結(jié)合老撾當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)，提出老撾南湃水電站采取“不預(yù)熱焊接”工藝對(duì)整個(gè)壓力鋼管直管段的WDB620高強(qiáng)鋼安裝環(huán)縫進(jìn)行焊接。

確定“不預(yù)熱焊接”工藝的方案后，施工現(xiàn)場(chǎng)立即著手焊接工藝實(shí)驗(yàn)，形成焊接工藝評(píng)定報(bào)告，得到了“不預(yù)熱焊接”工藝的理論依據(jù)。

3 不預(yù)熱焊接工藝的確定

3.1 焊接方式

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的特點(diǎn)并本著經(jīng)濟(jì)適用的原則，直管制作的縱縫和部分環(huán)縫均采用埋弧自動(dòng)焊焊接，安裝環(huán)縫全部采用手工焊焊接。

3.2 焊材選用

根據(jù)WDB620高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分、焊接特性及坡口形式等方面選取焊材。按《等強(qiáng)度匹配》原則，手工焊焊接材料選用四川大西洋生產(chǎn)的牌號(hào)CHE62CFLH超低氫鈉型藥皮堿性焊條，直徑Ф4.0 mm，自動(dòng)焊焊接材料選用四川大西洋生產(chǎn)的牌號(hào)H08Mn2MoA，直徑Ф4.0 mm，焊劑：CHF113。

3.3 不預(yù)熱試板焊接工藝評(píng)定報(bào)告

老撾南湃水電站壓力鋼管用WDB620鋼板，施工現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)預(yù)熱和不預(yù)熱2種工藝進(jìn)行了平、立、橫、仰焊，埋弧自動(dòng)焊平焊進(jìn)行對(duì)比焊接工藝試驗(yàn)，并對(duì)母材熱影響區(qū)和熔敷金屬化學(xué)成分檢查、焊縫外觀檢查、無(wú)損檢查、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn)等各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)全部合格且二者差別極小。

結(jié)果表明，不預(yù)熱焊接工藝適用于在老撾當(dāng)?shù)馗邷丨h(huán)境下進(jìn)行焊接。

4 焊接實(shí)施

在具體焊接過(guò)程中，從焊接人員、焊接材料、過(guò)程控制、焊后檢測(cè)等方面全方位進(jìn)行控制，有效保證了焊接質(zhì)量。

4.1 焊接人員條件

參加南湃水電站壓力鋼管焊縫焊接的焊工必須持有與壓力鋼管板材種類、焊接方法與焊接位置相適應(yīng)的焊工合格證。所有焊工必須參加監(jiān)理主持的現(xiàn)場(chǎng)考試，并須持有監(jiān)理單位頒發(fā)的上崗證才能上崗。

4.2 焊材的管理

焊材入庫(kù)時(shí)，必須有出廠材質(zhì)證明書或質(zhì)量合格證書。

焊材存放在專用架子上，貨架離地面高度間距不小于300 mm，離墻壁間距不小于300 mm，嚴(yán)格防備焊材受潮。焊條堆積的體積不能過(guò)大，寬度不大于兩排，高度不超過(guò)1.2 m。

焊材堆放時(shí)應(yīng)按種類、牌號(hào)、規(guī)格、入庫(kù)時(shí)間分類堆放，每垛應(yīng)有明確標(biāo)記，避免混亂。

焊條烘烤、發(fā)放應(yīng)填寫烘烤發(fā)放記錄，焊條在使用前按焊條使用說(shuō)明書的規(guī)定進(jìn)行烘烤，一般低氫型焊條（300～380℃）烘烤 1～2 h并保溫。

領(lǐng)取焊條時(shí)，應(yīng)特別注意焊接材料的標(biāo)識(shí)，以免發(fā)生錯(cuò)用，造成質(zhì)量事故。

焊條使用過(guò)程中必須裝入保溫筒，保溫桶要接通電源進(jìn)行保溫，焊條隨取隨用，烘干后的焊條在保溫筒內(nèi)超過(guò)4 h時(shí)應(yīng)重新烘干，烘干次數(shù)不超過(guò)2次。

4.3 施焊前準(zhǔn)備

焊前清除坡口及其兩側(cè)（待焊部位及周圍）10～20 mm范圍內(nèi)的水分、油污、鐵銹、氧化層等，并打磨出金屬光澤。

定位焊位置距焊縫端部30 mm以上，其長(zhǎng)度在50 mm以上，間距為100～400 mm，厚度不宜超過(guò)正式焊縫高度的1/2，最厚不宜超過(guò)8 mm。施焊前，認(rèn)真檢查定位焊質(zhì)量，如有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷及時(shí)清除干凈再焊，不得隨意在母材上引弧和熄弧，定位焊的引弧和斷弧在坡口內(nèi)進(jìn)行，焊接助焊板及定位焊采取與正式焊接相同的焊接工藝。

4.4 縱縫、環(huán)縫的焊接

縱縫、環(huán)縫采用埋弧自動(dòng)焊和手工焊接。坡口形式如圖1：

圖1 手工、埋弧自動(dòng)焊焊接坡口形式

焊接過(guò)程中，層間溫度控制在150～200℃為宜。

4.5 焊接工藝參數(shù)

手工焊焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2、3。

焊接線能量控制，焊接線能量的大小對(duì)鋼管焊接部位的沖擊韌性有很大影響，直接影響鋼管的運(yùn)行質(zhì)量。

表2 手工焊焊接工藝參數(shù)

表3 埋弧自動(dòng)焊焊接工藝參數(shù)

其中U——電弧電壓/V。

I——電流電壓/A。

V——焊接速度/cm/min。

40 kJ/cm為線能量的上限值，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)定，Φ4.0 mm焊條，焊接電流不宜大于200 A，每根焊條至少焊8 cm，Φ3.2 mm焊條，焊接電流不宜大于130 A，每根焊條至少焊5 cm，焊工對(duì)焊接電流與焊接速度的必須嚴(yán)格控制。

焊接層間接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)50mm以上，每層或每道焊接完成后用風(fēng)鏟敲擊焊縫，并將每道的熔渣、飛賤仔細(xì)清理，自檢合格后，方可進(jìn)行下一道焊接。

反面碳弧氣刨清根打磨成便于焊接U槽，確保清除根部夾渣、裂紋、氣孔等缺陷。坡口打磨出金屬光澤。

焊縫焊接完畢后。對(duì)鋼管內(nèi)壁焊縫突起超過(guò)規(guī)范部分進(jìn)行打磨。焊縫的表面盡可能平滑，咬邊、焊瘤的部位要有砂輪打磨，使表面光滑平整。

4.6 焊縫檢驗(yàn)

外觀檢查：所有焊縫均按DL/T5017-2007第6.4.1條的規(guī)定進(jìn)行外觀檢查。

無(wú)損探傷：焊縫無(wú)損探傷遵守DL/T5017-2007第6.4.3-6.4.7條的規(guī)定。WDB620高強(qiáng)鋼48 h后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

焊縫無(wú)損探傷的抽查按施工圖紙的規(guī)定執(zhí)行。施工圖未規(guī)定時(shí)，抽查比例按DL/T5017-2007第6.4.4條的要求確定。焊接檢驗(yàn)為100%超聲（PT）探傷，25%射線探傷重點(diǎn)查處部位為環(huán)、縱縫接頭處。

特別強(qiáng)調(diào)，所有不預(yù)熱的焊縫做100%表面探傷，查看表面裂紋出現(xiàn)的幾率。

焊縫缺陷處理：根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定焊縫缺陷的部位和性質(zhì)，制定缺陷返修措施再處理缺陷，返修后的焊縫按規(guī)定進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，同一部位的返修次數(shù)不得超過(guò)2次。

5 無(wú)損檢驗(yàn)結(jié)果

老撾南湃水電站壓力鋼管WDB620高強(qiáng)鋼制作實(shí)際焊縫總長(zhǎng)度1940.354 m，磁粉表面檢查長(zhǎng)度3880.708 m，1次合格率100%，超聲波探傷總長(zhǎng)度1940.354 m，1次合格率96%，超聲波1次返修合格率100%，射線按比例抽檢，1次合格率100%。WDB620高強(qiáng)鋼安裝焊縫總長(zhǎng)度1063.33 m，磁粉表面檢查長(zhǎng)度2126.66 m，1次合格率100%，超聲波探傷總長(zhǎng)度1063.33 m 1次合格率98%，超聲波1次返修合格率100%，射線一類按40%和二類20%比例抽檢，1次合格率100%。檢查合格的焊縫放置數(shù)天后再次進(jìn)行焊縫表面磁粉抽測(cè)，均一次性合格100%。老撾南湃水電站壓力鋼管制造、安裝分部工程評(píng)定為優(yōu)良工程。

6 結(jié)束語(yǔ)

老撾南湃水電站地處環(huán)境位置特殊， 受晝夜溫差大，濕度大，坡度大等因素影響，引水壓力鋼管工程制造安裝施工工藝復(fù)雜、難度大，經(jīng)嚴(yán)格按照“不預(yù)熱焊接”工藝施焊后， 焊縫一次合格率達(dá) 96%以上，一次返修合格率100%。說(shuō)明采用“不預(yù)熱焊接”工藝技術(shù)可行，現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量控制可靠，整個(gè)施工過(guò)程未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，未發(fā)生質(zhì)量事故。結(jié)果證明，南湃水電站采用“不預(yù)熱焊接”工藝保證了整個(gè)工程的焊接質(zhì)量，節(jié)省了大量的人力、物力，簡(jiǎn)化了焊接工序，有效保證了壓力鋼管安裝的工期，具有一定的推廣價(jià)值。

2016年4月，南湃水電站壓力鋼管全部安裝完成，目前，該電站已安全連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)月。